DE102019107836A1

DE102019107836A1 - Jet-Ventil

Info

Publication number: DE102019107836A1
Application number: DE102019107836.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Reuter
Original assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Current assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Priority date: 2018-06-12
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2019-12-12
Also published as: JP2019219056A; KR102300642B1; JP6968123B2; US11326697B2; US20190376602A1; KR20190140843A

Abstract

Ein Jet-Ventil weist einen zu einer Austrittsöffnung führenden Medienkanal auf, der von einem gegen einen Dichtsitz anstellbaren Dichtelement verschließbar ist. Der Dichtsitz weist eine Dichtfläche in Form eines Ringstreifens auf. Das Jet-Ventil weist eine hohe Standzeit auf und eignet sich zum Dosieren geringster Mengen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Jet-Ventil zum berührungslosen Aufbringen von dosierten Mengen eines Mediums.
Für zahlreiche Produktionsschritte in der Fertigung von elektronischen Komponenten und Geräten, wie z.B. Smartphones und Tablets, sind Klebeprozesse notwendig. Hierzu werden häufig Jet-Ventile eingesetzt, da diese zum einen ein berührungsloses Aufbringen des Klebstoffes - oder auch anderer Medien - erlauben und zum anderen auch sehr hohe Dosierfrequenzen ermöglichen. Aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung der Bauteile für elektronische Geräte werden dabei immer kleinere Tropfen und schmalere Klebelinien benötigt. Die pro einzelnem Schuss abgegebene Dosiermenge hängt auch von der Formgebung des Dichtsitzes des Dosierventils ab.
Die Formgebung eines Dichtsitzes setzt sich typischerweise aus Kugelsphären, Kegeln, Zylindern und ebenen Flächen zusammen und ist fertigungstechnisch bedingt. Selbiges gilt für das durch den Ventilantrieb bewegte Dichtelement, typischerweise eine Ventilnadel. Diese weist als Dichtelement bzw. dichtende Kontur häufig eine Kugel oder eine angearbeitete Kugelsphäre oder Kegelkontur auf. Diese Begrenzung der geometrischen Formen führt aber dazu, dass die Dosiermenge kaum weiter verringert werden kann.
Als weitere geometrische Form ist auch ein Spitzkegel an der Dosiernadel denkbar, der an einer Kante des Ventilsitzes dichtet. In der Praxis wird diese Form eine nur sehr begrenzte Lebensdauer besitzen.
Damit das Ventil im geschlossenen Zustand gut dichtet, muss die Ventilnadel auf der Dichtfläche zentriert sein. Diese Aufgabe kann durch die Dichtfläche übernommen werden. Der zentrierende Effekt der Dichtfläche bedingt jedoch, dass der Winkel, unter dem die Dosiernadel den Ventilsitz berührt, nicht zu klein ist. Dieser Winkel bestimmt aber auch das Volumen mit, das durch die Bewegung der Dosiernadel durch eine Austrittsöffnung nach unten aus dem Ventil gejettet wird.
Beim Jetten muss eine Fluchtgeschwindigkeit erreicht werden, die ausreicht, um die Oberflächenspannung des Mediums zu überwinden. Die Oberflächenspannung ist wiederum von der Gestaltung der Außenfläche und -kontur der Düse abhängig. Die Dosiermenge wird durch das Volumen bestimmt, das beim Schließen des Ventils beschleunigt wird. Dieses Volumen ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen dem Flusswiderstand des Austrittskanals der Düse und dem Flusswiderstand an der Dichtfläche und dem Hub, den das Dichtelement beim Schließen noch zurücklegt, nachdem der Flusswiderstand des Düsenkanals kleiner als der Flusswiderstand der Dichtfläche ist. Sobald der der Flusswiderstand an der Dichtfläche größer als der Flusswiderstand der Austrittsdüse ist, wird das Medium beim Schließen des Ventils nicht mehr entlang der Dichtfläche zurückverdrängt, sondern durch den Düsenkanal geschoben und beschleunigt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Jet-Ventil zu schaffen, mit dem das Jetten von hochviskosen Medien in geringsten Mengen bei einer hohen Standzeit möglich ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Jet-Ventil weist einen zu einer Austrittsöffnung führenden Medienkanal auf, der von einem gegen einen Dichtsitz anstellbaren sphärischen Dichtelement verschließbar ist. Erfindungsgemäß weist der Dichtsitz eine Dichtfläche in Form eines sphärisch gekrümmten Ringstreifens auf, wobei der Dichtsitz im Anschluss an die Dichtfläche eine zu dem Dichtelement beabstandete Oberflächenkontur aufweist, die mit dem Dichtelement einen Spalt ausbildet, wenn dieses an der Dichtfläche anliegt.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass es zur Verringerung des Dosiervolumens vorteilhaft ist, das beschleunigte Volumen unter dem Dichtsitz zu verkleinern. Gleichzeitig muss aber die effektiv wirkende Dichtfläche klein bleiben. Bei zu großer Dichtfläche wird die Abwärtsbewegung der Dosiernadel zu stark gedämpft/gebremst und das Jetten von vor allem hochviskosen Medien ist nicht mehr möglich. Da Oberflächenkontur und Dichtelement zumindest im Bereich des Spalts sphärisch ausgebildet sind, ist zwischen der Oberflächenkontur und dem Dichtelement ein sehr geringes Volumen in Form einer Kugelschale geschaffen.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung der Zeichnung sowie den Unteransprüchen beschrieben.
Nach einer Ausführungsform kann die Breite des Spalts zwischen der Oberflächenkontur der Dichtfläche und dem Dichtelement nicht größer sein als die Breite des Ringstreifens, wodurch eine merkliche hydrodynamische Dämpfung der Schließbewegung des Dichtelementes verhindert ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann zwischen der Oberflächenkontur und der Dichtfläche eine Stufe vorgesehen sein. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass einerseits ein ausreichend schmaler Ringstreifen als Dichtfläche vorhanden ist. Andererseits kann für einen kleinen, jedoch ausreichenden Abstand zwischen Oberflächenkontur und Dichtelement gesorgt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Oberflächenkontur im Bereich des Spalts parallel zu dem Dichtelement verlaufen. Hierdurch wird das Medium beim Schließen des Ventils im Bereich des Spalts zu einem dünnen Flüssigkeitsfilm zusammengedrückt, ohne dass eine merkliche Dämpfung auftritt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Breite des Ringstreifens etwa 25 bis 55 µm, insbesondere etwa 30 bis 50 µm betragen. Hierdurch ist eine einerseits ausreichende jedoch andererseits ausreichend kleine Dichtfläche geschaffen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Breite des Spalts etwa 1 bis 30 µm, insbesondere etwa 5 bis 25 µm betragen. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass mit einer derartigen Dimensionierung einerseits zwischen Dichtelement und Oberflächenkontur ein ausreichend großes Volumen geschaffen ist, um eine hydrodynamische Dämpfung zu minimieren. Andererseits ist das Volumen so gering gewählt, dass ein Jetten kleinster Volumina möglich ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann in der Mitte des Spalts ein zu der Austrittsöffnung führender Durchlass vorgesehen sein, der sich ausgehend von dem Spalt zunächst konisch verjüngt und der anschließend bis zur Austrittsöffnung als hohlzylindrischer Austrittskanal gebildet ist. Hierbei kann der hohlzylindrische Austrittskanal des Durchlasses einen Durchmesser von 40 bis 50 µm und/oder eine Länge von etwa 100 bis 300 µm aufweisen. Bei einer solchen Dimensionierung ließen sich sehr kleine Mengen an Medium mit hohen Zykluszeiten dosieren.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Austrittsöffnung als Mündung eines hohlzylindrischen Austrittskanals ausgebildet sein, wobei der Winkel zwischen der Wandung des Austrittskanals und der die Austrittsöffnung umgebenden Oberfläche im Querschnitt gesehen ein spitzer Winkel ist, der insbesondere weniger als 60°, insbesondere 45° oder weniger beträgt. Hierdurch wird die Anlagerung von zu dosierendem Medium an der Außenfläche der Austrittsöffnung deutlich verringert. Das Medium sieht an einer Kante eine gekrümmte Oberfläche. Die Oberflächenspannung bewirkt eine Minimierung der Oberfläche und führt bei Kanten dazu, dass die benetzende Flüssigkeit in Richtung der ebenen Flächen verdrängt wird. Damit wird Schichtdicke der Flüssigkeit im Bereich der Kante reduziert und der Flüssigkeitsfilm kann abreißen (Entnetzung). Je spitzer der Kantenwinkel ist, desto größer ist dieser Effekt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Austrittsöffnung nicht in einem Einsatz des Ventils ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass die Austrittsöffnung und der zu dieser führende Austrittskanal in Vollmaterial gearbeitet ist, beispielsweise in ein Gehäuseteil des Jet-Ventils. Hierdurch ergibt sich der Vorteil gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Austrittsdüsen, die als Einsatz ausgebildet sind, dass keine gesonderte Montage erforderlich ist und kein Zentrieren des Einsatzes erfolgen muss. Gleichzeitig können die Austrittsöffnung und der Austrittskanal deutlich kleiner ausgebildet werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann die Breite des Spalts zwischen Dichtfläche und einem zu der Austrittsöffnung führenden Austrittskanal stufenartig verringert sein, insbesondere auf etwa 10 - 15 µm. Hierbei kann die Verringerung der Spaltbreite durch einen Ringsteg erfolgen, der um den Austrittskanal herum angeordnet ist.
Die Dichtfläche kann bei dieser Ausführungsform weiterhin unter einem ausreichend großen Winkel stehen. Der Spalt zwischen Dichtelement und Dichtsitz kann direkt im Anschluss an die Dichtfläche aber größer ausgebildet werden. Dieser Spalt wird jedoch im Bereich um den Austrittskanal stufenartig auf typisch 10µm verringert. Dieser dünnere Spalt erhöht den effektiv wirkenden Flusswiderstand der Düse. Der Hub, den das Dichtelement beim Schließen noch macht, nachdem der Flusswiderstand des Düsenkanals kleiner als der Flusswiderstand der Dichtfläche ist, ist damit kleiner und damit kann auch die Dosiermenge reduziert werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

1 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Jet-Ventils; und
2 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Jet-Ventils.

Das in 1 nur ausschnittsweise dargestellte Jet-Ventil weist einen Medienkanal 10 auf, der zu einer Austrittsöffnung 12 führt und der durch ein Dichtelement 14 verschließbar ist, das gegen einen Dichtsitz 16 anstellbar ist. Das Dichtelement 14 weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Form einer Kugel auf, die am Ende einer Ventilnadel 18 befestigt ist. Die Ventilnadel wird dabei auf bekannte Weise von einem Ventilantrieb, beispielsweise einem Piezo-Element, mit einer hohen Taktzahl gegen die Kraft einer Feder an den Dichtsitz 16 angestellt.
Zur Abdichtung zwischen dem Dichtelement 14 und dem Ventilsitz 16 dient eine an den Ventilsitz 16 angeformte Dichtfläche 20. Diese ist als Dichtfase ausgebildet und weist die Form eines Ringstreifens (beim dargestellten Ausführungsbeispiel als Teil einer sphärischen Fläche) auf, der eine Breite B besitzt.
Weiterhin weist der Dichtsitz 16 im Anschluss an die Dichtfläche 20 und in Richtung der Austrittsöffnung 12 eine Oberflächenkontur 22 auf, die zu dem Dichtelement 14 beabstandet ist und mit diesem einen Spalt 24 ausbildet, wenn das Dichtelement 14 an der Dichtfläche 20 anliegt. Hierbei kann die Breite S des Spalts 24 so gewählt werden, dass diese nicht größer als die Breite B des Ringstreifens der Dichtfläche 20 ist.
Wie 1 weiter zeigt, befindet sich zwischen der Dichtfläche 20 und der Oberflächenkontur 22 eine Stufe 26, die eine Ringform aufweist. Da die Oberflächenkontur 22 und das Dichtelement 14 beide sphärisch ausgebildet sind und den gleichen Radius aufweisen, verläuft die Oberflächenkontur im Bereich des Spalts 24 parallel zu dem Dichtelement 14 und die Stufe 26 bestimmt das filmartige (sphärisch gekrümmte) Volumen zwischen Oberflächenkontur und Dichtelement.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die Breite B des Ringstreifens der Dichtfläche 20 (die Dichtfase) im Bereich von etwa 40 µm und der Winkel zwischen einer Tangente an die Dichtfläche 20 und einer Mittelachse des Jet-Ventils beträgt etwa 45°, was zu einer guten Zentrierung führt. Gleichzeitig ist die Breite S des Spalts 24 in einer Größenordnung von etwa 10 bis 20 µm gewählt, was ausreichend ist, um eine hydrodynamische Dämpfung zu minimieren und gleichzeitig geringste Volumina zu jetten.
Das Ausstoßen des durch den Medienkanal 10 zugeführten Mediums erfolgt bei Schließen des Dichtelements 14 durch einen zu der Austrittsöffnung 12 führenden Durchlass, der sich in einem ersten Abschnitt 28 ausgehend von dem Spalt 24 zunächst konisch verjüngt, und der anschließend bis zur Austrittsöffnung 12 als hohlzylindrischer Austrittskanal 30 gebildet ist. Hierbei weist der hohlzylindrische Austrittskanal 30 einen Durchmesser von etwa 40 bis 50 µm und/oder eine Länge von etwa 100 bis 300 µm auf.
Weiterhin ist die Austrittsöffnung 12 als Mündung des hohlzylindrischen Austrittskanals 30 ausgebildet und der Winkel α zwischen der Wandung 32 des Austrittskanals 30 und der die Austrittsöffnung 12 umgebenden Oberfläche 34 ist im Querschnitt gesehen ein spitzer Winkel, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 45° beträgt.
Schließlich verdeutlicht 1, dass die Austrittsöffnung 12 nicht in einem Einsatz ausgebildet, der in den Ventilkörper eingeschraubt oder anderweitig eingesetzt ist. Vielmehr befindet sich die Austrittsöffnung 12 und auch der Austrittskanal 30 in Vollmaterial, das heißt in einem Bauteil des Jet-Ventils, das einstückig mit dem Dichtsitz 16 und der Dichtfläche 20 ausgebildet ist.
Eine weitere Dichtsitzgeometrie, die eine Verringerung der Dosiermenge ermöglicht ist in 2 dargestellt. Diese in 2 dargestellte Ausführungsform eines Jet-Ventils entspricht in ihrem grundsätzlichen Aufbau der Ausführungsform von 1, so dass lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform ist die Breite S des Spalts 24 zwischen der sphärischen Oberflächenkontur 22 und dem Dichtelement 14 deutlich größer als bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Allerdings wird der Spalt 24 im Bereich um den Düsenkanal 28, 30 stufenartig durch einen Ringsteg 34 verringert, beispielsweise auf eine Spaltbreite S' von etwa 10 µm. Ein derartig dünner Spalt im Bereich des Austrittskanals erhöht den beim Ausstoßen effektiv wirkenden Flusswiderstand der Austrittsdüse. Der Hub, den das Dichtelement 14 beim Schließen des Ventils schließlich noch zurücklegt, nachdem der Flusswiderstand des Düsenkanals kleiner als der Flusswiderstand der Dichtfläche 20 ist, ist damit geringer und somit kann auch die Dosiermenge reduziert werden.
2 verdeutlicht, dass bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in der Mitte des Ringstegs der sich konisch verjüngende Bereich 28 des Austrittskanals angeordnet ist.

Claims

Jet-Ventil mit einem zu einer Austrittsöffnung führenden Medienkanal (10), der von einem gegen einen Dichtsitz (16) anstellbaren sphärischen Dichtelement (14) verschließbar ist, wobei der Dichtsitz (16) eine Dichtfläche (20) in Form eines spärisch gekrümmten Ringstreifens aufweist, und der Dichtsitz (16) im Anschluss an die Dichtfläche (20) eine zu dem Dichtelement (14) beabstandete sphärische Oberflächenkontur (22) aufweist, die mit dem Dichtelement (14) einen Spalt (24) ausbildet, wenn dieses an der Dichtfläche (20) anliegt.
Jet-Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Oberflächenkontur (22) und der Dichtfläche (20) eine Stufe (26) vorgesehen ist.
Jet-Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenkontur (22) im Bereich des Spalts (24) parallel zu dem Dichtelement verläuft.
Jet-Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (S) des Spalts (24) nicht größer als die Breite (B) des Ringstreifens ist
Jet-Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) des Ringstreifens 25 - 55 µm, insbesondere 30 - 50 µm beträgt.
Jet-Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (S) des Spalts 1 - 30 µm, insbesondere 5 - 25 µm beträgt.
Jet-Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mitte des Spalts (24) ein zu der Austrittsöffnung (12) führender Durchlass (28, 30) vorgesehen ist, der sich ausgehend von dem Spalt (24) zunächst konisch verjüngt und der anschließend bis zur Austrittsöffnung (12) als hohlzylindrischer Austrittskanal (30) gebildet ist.
Jet-Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der hohlzylindrische Austrittskanal des Durchlasses einen Durchmesser von 40 - 50 µm und/oder eine Länge von 100 - 300 µm aufweist.
Jet-Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (12) als Mündung eines hohlzylindrischen Austrittskanals (30) ausgebildet ist, wobei der Winkel zwischen der Wandung (32) des Austrittskanals (30) und der die Austrittsöffnung (12) umgebenden Oberfläche im Querschnitt gesehen ein spitzer Winkel ist, der insbesondere weniger als 60°, insbesondere 45° oder weniger beträgt.
Jet-Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (S) des Spalts (24) zwischen Dichtfläche (20) und einem zu der Austrittsöffnung (12) führenden Durchlass (28, 30) stufenartig auf eine verringerte Breite (S') von insbesondere etwa 10 - 15 µm reduziert ist.
Jet-Ventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung der Spaltbreite durch einen Ringsteg (34) erfolgt, der um den Durchlass (28, 30) herum angeordnet ist.